专利名称：位移传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及以非接触方式测定测量对象物体的位移的位移传感器。
背景技术：
在工厂自动化(FA)等技术领域，使用于产品制造的制造装置的位置控制和产品相对于制造装置的位置控制，或产品的检查等往往使用位移传感器。这种位移传感器通常使用三角测量方式。这是对测量对象物体照射光线，利用位置检查元件等检查测量对象物体反射的光线的方法，是根据随测量对象物体的位移而变化的位置检测元件上的受光点的重心位置变化测定位移量的方法。
采用这种三角测量方式的位移传感器，不能够把照射到测量对象物体上的光点尺寸保持于衍射极限那样的微小的光点尺寸。如图48所示，即使光源使用激光照射器1001等相干光，利用透镜1002聚光，如实践所示，达到衍射极限的光点尺寸的只是1006所示的一点，其他几乎所有位置上光点尺寸都较大。在测量对象物体1005上变宽的照射光的反射光即使用透镜1003聚焦于位置检测元件1004上，也如虚线所示，形成具有较大宽度的受光点。
另一方面，只要不是完全的镜面，几乎所有的测量对象物体上都存在因表面上的微小凹凸或色彩的不均匀而引起的反射强度的不均匀。其结果是，在被测定对象物体上反射的光线的光点内也产生辉度不均匀，这形成位置检测元件上的受光光点的重心位置变化。也就是说即使测量对象物体的位移量为0，如果测量对象物体表面上的位置不同，则由于反射强度不均匀，在位置检测元件上的受光光点的重心位置也不同，其结果是，作为测量结果的位移测量值不同。这成了测量误差，妨碍了高精度测量。
作为抑制这种测量误差的位移传感器，已知有日本的特开平7-113617号公报所述的技术。在该公报记载的技术，与三角测量方式不同，使透镜在位移测量方向上扫描，以使照射光束的聚光位置改变，根据在照射光束的聚光位置与被测量的对象物体上一致时，反射光的受光光点变为最小这一情况测定位移量。采用这种方法，不利用反射光的受光光点的受光位置，因此能够在几乎不受反射强度不均匀的影响的情况下进行位移测量。
但是，用这样的位移传感器，由于采用把透镜安装于音叉上进行扫描的结构，故扫描频率的提高受到限制。这是因为，透镜为了确保受光量，还为了使由衍射极限决定的光点直径微小化，必须有一定的大小，不能小型化，因此固有振动频率低，使扫描频率提高是困难的。扫描频率低，则测量一点的位移量的时间长。在测量多个点的情况下以及在同一点对测定值进行平均处理，进行更高精度的处理的情况下，总测量时间与测量点数或平均处理次数成正比地变长。
另一方面，这种位移传感器往往使用于物体形状的高精度测量，在这种情况下测量点数极大，而且为了进行高精度测量，往往进行平均处理。虽然也取决于应用，但通常如果要高精度测定测量对象物体的形状，则总测量时间往往达到数秒甚至数分钟，成了制约生产数量的工序。为了缩短总测量时间，如果只进行抽查，又要担心不合格产品漏检，而如果减少测定值的平均次数，则会降低测量精度。
又，透镜与音叉成一体，固有振动频率是固定的，该固有振动频率实际上决定了扫描频率，因此不能够利用更换透镜的方法简单地改变检测距离和位移检测范围。因为更换透镜需要变更扫描频率，也就需要变更处理电路和音叉驱动用的线圈等。为了不改变扫描频率地变更检测距离和位移测量范围，必须使与音叉形成一体的透镜保持不变，并另行在光路中附加多个透镜，以此等效地改变透镜的光学特性，或者变更扫描的透镜，并重新设计整个光学系统，以使扫描频率相同。一旦增加多个透镜，则外形变大，成本增高。为了与相应于测量对象物体和装置形状的检测距离、位移测量范围对应，每次都重新设计、制作传感器，就需要开发研究费用，还是要增大成本。
发明内容
本发明是鉴于这样的存在问题而作出的。其目的在于，提供能够进行几乎不受反射强度不均匀的影响的高精度位移测量，而且测量所需时间短的位移传感器。
本发明的另一目的是，提供采用透镜可以更换的结构，以此实现容易改变检测距离和位移测量范围的位移传感器，而且是能够对应于各种不同的应用的位移传感器。
本发明又一目的是提供采用制造时容易有选择地采用不同种类的透镜，以此适应检测距离和位移测量范围较大的组合中选出的组合，容易以低廉的成本制造的所述位移传感器。
为了便于理解，下面参照实施形态的两个例子的图1及图2的符号对本发明进行说明。在图1与图2中符号不同的情况下，在下面记述中的“/”符号的前面表示图1的符号，后面表示图2的符号。本发明的位移传感器具备投光单元1、具有遮光掩模901a和受光元件902a的受光单元9、把投光单元1射出的光束聚焦于被测定对象物体8的第1聚光元件3、5、7/14、将测量对象物体8来的反射光束聚焦于受光单元9的第2聚光元件7、5、3/15、配置在从投光单元1到测量对象物体8的投光光路中，而且是在从测量对象物体8到受光单元9的受光光路中，使由第1聚光元件3、5、7/14与投光单元1规定的投光光轴和第2聚光元件7、5、3/15与受光单元9规定的受光光轴在测量对象物体8一侧同轴的第1光路控制元件、以及在投光光轴与受光光轴同轴的光路中，而且在投光光路及受光光路中的光束不平行的地方配置的，使从投光单元到测量对象物体的光程及从测量对象物体到受光部的光程连续变化的光程扫描机构6。遮光掩模901a配置于从第2聚光元件7、5、3/15到受光元件902a的光路中，在来自测量对象物体8的反射光束被第2聚光元件7、5、3/15聚焦的位置因光程扫描机构6的动作而变化时，使遮光掩模901a遮住该反射光束的一部分的比例改变。受光元件902a用于接收通过遮光掩模901a的光束。本发明的位移传感器采用上述结构，根据利用光程扫描构构6的动作改变的受光元件902a的输出信号，取得有关到测量对象物体8的距离的信息。
本发明的位移传感器的工作原理如下所述。投光单元发射出的光束经过第1聚光元件，聚焦于测量对象物体上，其反射光束由第2聚光元件聚焦于受光单元的遮光掩模上。遮光掩模的形状可以是各式各样的，但是在采用设置例如针孔的掩模的情况下，在遮光掩模上的反射光束的光点尺寸发生变化的过程中，当光点尺寸变为最小、反射光束最多的部分通过针孔时，受光部的受光量达到最大。
由于光程扫描机构的动作，照射于测量对象物体的光束的聚光位置发生变化。这里所谓光程意味着从投光单元到测量对象物体，以及从测量对象物体到受光单元的光程。例如假设光程扫描机构为中立状态时从投光部射出的光束聚焦的位置上有测量对象物体，则在光程扫描机构使光程缩短的状态下(图3)，这时照射光束处于尚未聚焦(假设测量对象物体不存在，则在比有该对象物体的位置要远的地方聚光)的状态。
这里，在测量对象物体是镜面物体的情况下，从测量对象物体来的反射光束如图4所示，没有在遮光掩模上完全聚焦，遮光掩模上的光束的光点直径相对较大，因此受光单元的受光量变小。
另一方面，在被测量物体是漫反射物体时，在测量对象物体上的光束产生漫反射(图5)，而且其反射光束不在遮光掩模上成像(在比遮光掩模更靠受光元件一侧成像)，因此依然是受光单元的受光量变小。
反之，在光程扫描机构使光程变长的状态下，这时照射光束及从测量对象物体来的反射光束的聚光位置相对于光程扫描机构处于中立状态时的反射光束的聚光位置分别向与上述位置相反的一侧移动，和光程较短的情况一样，在遮光掩模上光束相对较大，受光量变小。
根据上面所述，在遮光掩模上设有针孔的情况下，不管测量对象物体是镜面物体还是漫反射物体，当由于光程扫描机构的动作，照射光束的聚焦位置落在测量对象物体上时，受光量达到最大，受光单元的输出信号也达到最大。
可以根据上述输出信号用如下所述方法求位移。图6表示随着光路扫描机构的动作，光程发生的变化和受光单元的输出信号的变化。输出信号的极大值可以在光程扫描机构进行光程的扫描，使照射光束聚集在测量对象物体上的状态下时得到。在图6中，这时的光程的变化量为X1。照射于测量对象物体的照射光束的聚光位置与光程的变化量一一对应，因此如果预先求出根据扫描引起的长路长度变化量换算成聚焦位置的位移量的计算式，则用某种传感器等直接或间接地经常对光程的变化量进行测定，就能够根据受光单元的输出信号为最大时的光程变化量求出测量对象物体的位移量。
遮光掩模不限于设有针孔的掩模，也可以利用刀口构成，使用一分为二的光电二极管(两个二极管相邻配置的元件)作为受光元件进行位移测量。下面叙述该情况下的原理。
图7表示照射光束在测量对象物体上聚光的、与上述图1的状态对应的情况。刀口的前端配置得与反射光束的聚光位置一致，这时作为受光元件的一分为二的光电二极管设置得使两光电二极管的受光量相等。由于光程的扫描光程变短的状态、即上述与图4对应的状态如图8所示，射向左侧的光电二极管的光束被刀口遮住。反之，表示光程变长的状态的是图9，射向右侧的光电二极管的光束被刀口遮住。从这些附图可知，照射光束在测量对象物体上聚光(焦)时一分为二的光电二极管的两个光电二极管的输出相等，没有聚焦时一边的光电二极管输出较大。从而，为了利用输出信号求位移，在上述方法中，把受光元件的输出为峰值的时刻用一分为二的光电二极管的两个光电二极管的输出相等的时刻进行置换，这样考虑同样能够对位移进行测量。
采用本发明，根据在测量对象物体上照射光束形成微小的光点时的光程进行测量，因此能够不受测量对象物体反射强度不均匀的影响地测定位移。而且与扫描形状、质量大的透镜那样的、使从投光单元到测量对象物体的光程保持一定而改变照射光束的聚光位置的方法不同，聚光功能通过不移动的聚光元件进行，并另行设置其本身不具有聚光功能，而具有改变光程的功能的光程扫描机构，因此可以使该光路扫描机构小型化且轻型化。从而能够提高扫描频率，缩短测量一点所需要的时间。响应时间是从开始测量到输出测量结果的时间，在本传感器中，也包括平均处理时间，不管测量点数多少，与测量时间相比，输出所需要的时间是极短的，响应时间大部分被测量时间占用，因此利用本发明的方式缩短测量所需要的时间，就能够实现响应时间较短的测量。而且如果是在一定的响应时间内，则可以利用增加平均次数的方法，实现测定误差小的高精度测量。
投光单元在光源的发光面积大的情况下，最好是用使光源发出的光线通过1次针孔等方法以使发光面积实际减小。因为如果发光面积较大，则光程扫描机构对光程进行扫描时测量对象物体上的光束的最小光点尺寸也变大，容易受到测量对象物体的反射强度不均匀的影响。所谓由第1聚光元件与投光单元规定的投光光轴上的投光单元意味着光源的发光位置，发光位置代表性的可以采用发光面的中心或重心的位置。在如上所述使用针孔的情况下，可以采用针孔的中心位置。
在遮光掩模设有针孔的情况下，受光元件只要接收通过针孔的光束即可，因此只要采用把发光二极管等的光的强度变换为电流或电压的元件即可。在这种情况下，所谓“由第2聚光元件与受光单元规定的受光光轴”具体地说意味着由第2聚光元件与针孔的中心规定的受光光轴。
另一方面，在遮光掩模是由刀口构成的掩模的情况下，采用随着入射于受光元件的光的位置的变化，输出也发生变化的二分割光电二极管或分割数目更多的光电二极管阵列、位置检测元件(PSD)、CCD等，可以得到通过刀口的光束的位置的变化，作为输出的变化。在刀口的情况下，在“由第2聚光元件与受光单元规定的受光光轴”中规定受光光轴的“受光单元”不是象上述针孔那样的预先规定的一点，而是刀口边缘线上的任一点(严格地说，是离刀口极近的一点)。在光学系统调整完成的状态下，来自测量对象物体的反射光束的中心位置理应与刀口边缘线上的某一点一致，这时投光光轴和受光光轴借助于第1光路控制元件在测量对象物体一侧形成同轴。由于光学系统调整不充分等原因，测量对象物体来的反射光束的中心位置与刀口边缘线上的某一点不一致时，可以认为在刀口边缘线上离反射光束的中心位置最近的点规定着受光光轴。
聚光元件是具有透镜、凹面镜、全息(hologram)等的聚光功能的光学元件。
“把投光元件射出的光束聚光于测量对象物体上的第1聚光元件”中的“聚光”并不意味着始终在测量对象物体上聚光的状态。这是因为在投光单元与测量对象物体之间存在着光路扫描机构，聚光位置由于扫描随时间而变化，是指扫描时在某一瞬间在测量对象物体上聚光的状态。
光路控制元件是例如半透半反射镜或偏振光束分离器、利用衍射使一部分光束分向不同方向的光栅或全息图(hologram)、或利用双折射相应于偏振方向使出射方向不同的渥垃斯顿(wollaston)棱镜等、具有使入射的光束以一定的比例向某一方向射出，同时以一定的比例使其向其他方向射出的功能的光学元件。
光程扫描机构连续地使从光源到测量对象物体的光程及测量物体到受光单元的光程随时间变化。该光程扫描机构可以使用音叉或悬臂梁上设置反射面使其振动的机构，用音圈电动机或压电元件使反射面在与该面垂直的方向上往复运动的机构、对电光结晶外加电压使介质的折射率改变的机构等。
在本发明的一实施方式中(参见作为其一个例子的图10的符号)具备作为第1聚光元件，并且作为第2聚光元件的第6聚光元件(13)，第1光路控制元件(2)配置于第6聚光元件(13)与投光单元(1)以及受光单元(9)之间。
图1所示的光学系统也是这种实施方式的一个例子，聚光元件3、5、7是第6聚光元件的一个例子。
第1聚光元件与第2聚光元件共用一个元件可以减少零件数目，降低成本。同时可以实现装置的小型化。
又，在例如遮光掩模上使用针孔的情况下，在把光点尺寸以及随之把针孔的尺寸做成极小的尺寸时，由于温度变化等原因，针孔与发光点的光学上的位置关系发生偏离，有可能变得不能正确动作，而第1聚光元件兼用作第2聚光元件使得决定针孔与光源的光学上位置的光学零件数目减少，同时可以缩短第1光路控制元件与投光单元之间的距离以及第1光路控制元件与针孔之间的距离，可以减小由温度等原因引起的投光单元、针孔、第1光路控制元件的相对位置偏离量。也就是说可以在温度有变化的情况下稳定地进行检测。
光程扫描机构可以如图10的情况所示，位于第6聚光元件(13)与测量对象物体(8)之间，也可以如图11所示，位于第6聚光元件(13)与第1光路控制元件(2)之间。
在本发明的一种理想的实施方式中(参见作为其一个例子的图12的符号)，光程扫描机构(6)相对于光轴垂直配置，具有沿着投光光轴与受光光轴同轴的光轴方向作位移的反射面(6)，还具有将投光单元出射的光束引导到该反向面、同时把在该反射面(6)反射的光束引向测量对象物体(8)，并且把来自测量对象物体(8)的反射光束反方向引导到与把光束引向上述测量对象物体(8)的光路同一光路上的第2光路控制元件(4a)。
图1所示的光学系统也是本实施方式的一个例子。
采用本实施形态，利用光程扫描机构的动作也可以在测量对象物体上的位移测量点不在测量对象物体表面上移动的情况下进行测量(光点尺寸发生变化而光点的中心不移动)，能够经常保持稳定地进行特定点的位移测量。因此能够进行微小物体或微小部分的位移测量。
这里所谓“相对于光轴垂直”还使用于包括偏离垂直的程度不足以使测量成问题的情况的意义上。例如在利用悬臂梁等构成光程扫描机构的情况下，由于扫描，反射面的角度也有一些变动，但即使有这种程度的相对于垂直的偏离角度，在这里也算是垂直。
上述相对于光轴垂直配置的反射面(6)可以配置于透射过第2光路控制元件后的位置上(图12)，也可以配置在反射后的位置上(图13)。
又，在该结构中，也可以使用兼作第1聚光元件和第2聚光元件的第6聚光元件13(图14、图15)。如果这样做，则可以减少聚光元件的个数，而且和上面所述一样，通过缩短投光单元与第1光路控制元件之间的距离及遮光掩模与第1光路控制元件的距离的方法等，进行在温度变化等情况下稳定的检测。
在本发明的理想方式中(参考作为其例子的图16、图17的符号)，第2光路控制元件(4a)配置于第1光路控制元件(2)与上述反射面(6)之间，第1聚光元件由第3聚光元件(16)与第4聚光元件(17)构成，第2聚光元件由第3聚光元件(16)与第5聚光元件(18)构成。而且，第4聚光元件(17)是在从投光单元(1)到反射面(6)的光路中集中或分散配置的一个或多个透镜，其中的至少一个透镜配置于从投光单元(1)到第2光路控制元件4a的光路中，并且把投光单元(1)射出的光束聚光于反射面(6)附近，第3聚光元件(16)是在反射面(6)与测量对象物体(8)之间集中或分散配置的一个或多个透镜，其中至少一个透镜配置于第1光路控制元件(4a)与测量对象物体(8)之间，并且把反射面(6)反射的光束聚光于测量对象物体(8)，同时把测量物体(8)反射的光束聚焦于反射面(6)附近，又，第5聚光元件(18)是在从反射面(6)到受光部(9)的光路中集中或分散配置的一个或多个透镜，其中的至少一个透镜配置于从第2光路控制元件(4a)到受光单元(9)的光路中，并且在由测量对象物体(8)反射后把反射面(6)反射的光束聚光于受光单元(9)。
图1所示的光学系统也是本实施方式的一个例子，在这里，聚光元件5、7是第3聚光元件的一个例子，聚光元件3、5是兼用作第4聚光元件和第5聚光元件的聚光元件。聚光元件5是在第3、第4及第5聚光元件中共同包含的部分。
采用这种实施方式，使从投光单元射出的光线在光程扫描机构的反射面附近聚光，因此可以把反射面面积做得极小。其结果是，在光程扫描机构中使用悬臂梁或音叉等的情况下，也能够实现小型化和轻型化，能够提高固有振动频率，因此能提高扫描频率，实现响应时间更短的测量。又，如果是在一定的响应时间内，则能够用增加平均次数的方法实现测量误差较小的高精度测量。
这里所谓“在反射面附近聚光”，包含反射面在光轴方向上往复运动的范围中存在聚光点的情况，但是并不限于此，还包含如下情况，即，即使在该范围周边聚光时，由于反射面上的光点尺寸十分小，能够使反射面小型化，因此具有所述效果的情况。还有，如果是从投光元件(1)射出的光束射入第3聚光元件之前暂时聚光那样的结构，则由于产生所述效果，可以称为“在反射面附近聚光”。
“一个或多个透镜”中的所谓“一个”，是指起透镜作用的单位的个数，包括像组合透镜那样把多个透镜组合为一体，具有作为凸透镜或或凹透镜那样的单一透镜的功能的透镜。又所谓“多个”意味着上述“一个”透镜存在多个。
还有，作为本实施方式的变形，参照作为其例子的的图18、图19的符号，也可以采用在第1光路控制元件(2)与第2光路控制元件(4a)之间配置第7聚光元件(19)，兼用作第4聚光元件和第5聚光元件的结构。
采用这样的实施方式，进一步谋求共用聚光元件，可以减少零件数目，因此能够降低成本和实现小型化。
又，作为另一实施方式(参照作为其例子的图20、图21的符号)也可以在第2光路控制元件(4a)与反射面(6)之间配置第8聚光元件(20)，兼用作第3聚光元件、第4聚光元件和第5聚光元件。
采用这样的实施方式，聚光元件只用一个，因此能够进一步降低成本，实现小型化。
在本发明的理想的实施方式中，投光单元与受光单元对于上述第1光路控制元件的作用配置为相互成为镜像的位置关系。
“成为镜像的位置关系”意味着关于光学上的作用的位置关系，不是单纯意味着投光单元与受光单元的外形。从而，在这里投光单元意味着光源的发光点，在遮光掩模上设置针孔的情况下，受光单元意味着针孔，在遮光掩模由刀口构成的情况下，受光单元意味着是刀口的边缘线上的某一点，且是规定受光光轴的点。
在遮光掩模上设有针孔时，如果针孔与投光单元的光源的发光点关于第1光路控制元件的作用是互为镜像的位置关系，则在光程处于中立状态以外时，包括在照射光线被聚焦于测量对象物体上那样的位置上有测量对象物体时，不管测量对象物体是镜面物体还是漫反射物体，都能得到相同的位移测量值。在遮光掩模由刀口构成的情况下，刀口的边缘线上的规定受光光轴的点和投光单元的光源发光点如果关于第1光路控制元件的作用是互为镜像的位置关系，则不管测量对象物体是镜面物体还是漫反射物体，都同样能得到相同的位移测量值。
在本发明的一理想的实施形态中(参考作为其两个例子的图22与图23的符号)，反射面沿着光轴方向位移的区域(21)不包含投光单元(1)射出的光束被第4聚光元件(3、5)聚焦的位置(22)。
所谓“由第4聚光元件聚焦的位置”意味着在认为反射面不存在的情况下由第4聚光元件聚焦的位置。
第2光路控制元件如上所述使用半透半反射镜或偏振光束分离器等，但是在把反射面反射的光束引向测量对象物体时，把光束的全部光量引向测量对象物体实际上是不可能的。即使有程度的大小，必定有向测量对象物体以外的方向、即投光单元及受光单元的方向返回光。在采用把投光单元射出的光束聚光于反射面上那样的结构情况下，该返回光在受光单元聚焦，大部分被受光元件接收。因此达到与测量对象物体来的反射光束产生的输出信号相比不可忽略的强度，妨碍检测。
采用这种方式，虽然是在反射面沿光轴方向作位移的区域附近，但因为做成由投光单元射出的光束在反射面上不聚焦，因此返回光在受光元件上也不会聚焦，从而返回光的强度可降低到对受光元件的输出信号不成问题的程度，能够可靠地检测出测量对象物体来的反射光束产生的受光元件的输出信号。
又，采用另一实施方式(参照作为其一例的图24的符号)，反射面沿着光轴方向位移的区域(21)包含投光单元(1)射出的光束由第4聚光元件(3、5)聚焦的位置(22)，而且在测量对象物体处于有效测量区域(23)内时，测量对象物体来的反射光束能够由第3聚光元件(7、5)聚焦的区域(25)不包含投光单元(1)射出的光束由第4聚光单元(3、5)聚光的位置(22)。
为了容易理解本实施方式的作用，下面参照作为本实施方式的一个例子的图24的结构及表示与其对应的受光元件的输出信号的图25进行说明。图中21表示的区域是反射面沿光轴方向作位移的区域，6d是光程扫描机构使光程为最短的状态时的反射面，6e是光程扫描机构使光程为最长的状态时的反射面，23是有效测量区域，8b是在有效测量区域内处于离物镜7最远的位置的情况下的测量对象物体，8c表示在有效测量区域内处于离物镜7最近的位置的情况下的测量对象物体，24b是在有效测量区域内处于离物镜7最远的位置的测量对象物体8b来的反射光束经第3聚光元件聚焦的点，24c是在有效测量区域内处于离物镜7最近的位置的测量对象物体8c来的反射光束经第3聚光元件聚焦的点。25表示处于有效测量区域23内的测量对象物体8来的反射光束可由第3聚光元件聚光的区域。与此相应，在图25中，与上述图6一样，在光程的变化量为X1时，在图24中未图示的测量对象物体来的反射光束射入受光元件，得到输出信号27。在光程的变化量为X2时，从投光单元射出的光束由第4聚光元件在反射面上聚光，那时产生返回光，并被受光元件所接收，发生受光信号26。光程的变化量X3、X4分别在图24对应于反射面位于24b、24c的情况，斜线所示的区域28表示在有效测量区域内能够接收测量对象物体来的反射光束的时间区域。
采用这一实施方式，由返回光产生的受光元件的输出信号26必定在能接收位于有效测量区域内的测量对象物体来的反射光束的区域28的外面得到，因此，返回光不会妨碍位于有效检测区域内的测量对象物体来的反射光产生的受光元件输出信号27的正确检测。另一方面，返回光产生的受光元件的输出信号26不管测量对象物体的位置如何，通常在反射面的位移量为X2时发生。为了对测量对象物体的位移进行测量，用某些传感器等对光程的变化量进行测定，并从光程的变化量换算为测量对象物体的位移量即可，但是在进行换算时，如果利用该信号26发生时的位移量校正光程的变化量的测定值，则可以抑制上述传感器等具有的温度特性变化影响造成的光程变化量测定误差，能够进行更加稳定的位移测量。
在本发明的更理想的实施形态中，沿光轴方向作位移的所述反射面的位移作为周期性的振动，具备输出信号选取手段，当所述反射面的位置与所述投光单元射出的光束由所述第4聚光元件聚光的位置一致时，该选取手段从所述一致时产生的所述受光元件的输出信号中，选取上述反射面的位移为前往途中时的输出信号或返回途中时的输出信号中任意决定的一种信号；测量所述投光单元射出的光束聚焦于所述测量对象物体上时到获得其反射光束产生的所述受光元件的输出信号为止的时间的手段；以及根据所述测量的时间取得关于到测量对象物体为止的距离的信息的手段。
所谓反射面的位移是周期性振动的，意思是反射面的位移是周期性的，在能把投光单元射出的光束聚焦于有效测量区域内的测量对象物体上的那样的反射面的位置(与上述25的区域相同)上存在反射面时，反射面单调增加或单调减少地发生位移。这样，在振动的前往途中或返回途中，至少在把照射光线聚光于位于有效测量区域内的测量对象物体上时的反射面的位移量相对于时间可以单值地确定。
在这一结构中，不用一些传感器等测定光程的变化量，光程的变化是在时间上周期性变化的，例如看作正弦波状的振动等，利用测量光程的变化量为已知的特定的点起的经过时间的方法对测定对象物体的位移进行测量。作为该光程的变化量为已知的特定的点，使用上述返回光产生的受光元件输出信号26。
采用这种结构，不需要测定光程的变化量用的传感器等。
#在本发明的更加理想的实验方式中(参照作为其例子的图26、图27的符号)，第4聚光元件由视准透镜(11)和中间透镜(5)构成，视准透镜(11)配置于投光单元(1)与第2光路控制元件(4a)之间，使投光单元(1)射出的光束大致平行，中间透镜(5)配置于第2光路控制元件(4a)与反射面(6)之间，把上述大致为平行的光束聚光于反射面(6)附近。而且第5聚光元件由中间透镜(5)与受光透镜(12)构成，受光透镜配置于受光单元(9)与第2光路控制元件(4a)之间，把测量对象物体(8)来的反射光束聚焦于受光单元(9)。“聚光于反射面附近”与先前使用的意思相同。
如果考虑该位移传感器使用的状况，则由于测量对象物体的形状、大小、还有它们之间差异的程度，理想的检测距离和位移检测范围也不同。为了与各种用途对应，实际上需要具有不同的检测距离、不同的位移测量范围的不同的机种。从投光单元到测量对象物体之间以及从测量对象物体到受光单元之间分别利用单个透镜构成的情况下，为了得到所希望的检测距离和位移测量范围，透镜和光程扫描机构的变更是必要的，结果，有必要从一开始就对整个传感器进行设计和制造。采用本实施方式，只要变更中间透镜与物镜的焦距和位置，就能得到所希望的检测距离、位移测量范围。具体地说，由物镜的动作距离决定检测距离，根据由中间透镜和物镜的焦距及位置决定的合成的透镜系统(以下称为复合透镜)的倍率以及反射面的位移量，决定位移测量区域的大小。采用这种结构，形成可以更换透镜的结构，能够提供与各种应用对应的机种。又，采用在制造时容易选用不同种类的透镜的结构，使其适合于从检测距离和位移测量范围的广范围组合中选择的组合，能够制造透镜以外的零件通用化的低成本的位移传感器。
又，在本检测原理中，如果减小测量对象物体上的最小光点尺寸，则更加能够抵御反射强度不均匀的影响，因此做成能够充分抑制透镜的像差的光学系统是理想的。中间透镜和物镜之间的光束是会聚光束或发散光束的情况下，由于透镜的变更，光束的会聚状态或发散状态发生变化，但是由于在中间透镜与物镜中间存在光距控制元件，因此而产生的像差的量也发生变化。
从而，为了在测量对象物体上得到小光点尺寸，有必要使用特别制作的使得在整个光学系统中使用时像差为最小的非球面透镜或透镜组，其价格非常高。采用本实施方式，中间透镜与物镜之间的光束(还有在光学系统的结构上视准透镜与中间透镜以及中间透镜与受光透镜之间的光束也)大致是平行的，因此可以使用无限光学系统的一般性规格的透镜，可以以低成本实现在测量对象物体上得到小光点尺寸的位移传感器。所谓“大致平行”意味着能够得到上述效果的程度的接近平行光束的状态，因为不限于严格平行的光束。
在更理想的实施方式中，参照作为其例子的图28(光学配置与图1相同)及图29的符号，视准透镜和受光透镜是共用的透镜(3)，配置于第1光路控制元件(2)与第2光路控制元件(4a)之间。利用兼用视准透镜与受光透镜的方法，可以减少零件数目，可以降低成本，实现小型化。而且和上述实施方式一样，利用缩短投光单元与第1光路控制元件之间的距离、遮光掩模与第1光路控制元件之间的距离的方法等，可以在温度变化的情况下进行稳定的检测。
在更加理想的实施方式中(参照作为其一例的图30的符号)，投光单元(1)射出线偏振光，第2光路控制元件是配置得使线偏振光垂直或平行于入射面的偏振光束分离器(4b)，具备在从偏振光束分离器(4b)射出的光束到达上述中间透镜(5)的光路中，并且在由上述反射面反射后从中间透镜(5)射出的光束到达偏振光束分离器(4b)的两条光路中配置的，相对于投光单元(1)射出的光的波长的1/4波长板(29)。
采用这种结构，从投光单元射出的线偏振光几乎都被第2光路控制元件反射或透过，经中间透镜、1/4波长板，由反射面反射后再度经1/4波长板、中间透镜入射到偏振光束分离器。这时由于往复透过1/4波长板，线偏振光旋转90度，在采用由偏振光束分离器在最初使其几乎全部反射的光线系统的结构的情况下，这次几乎全部透过，反之在采用最初使其透射的光学系统的结构的情况下，则发生反射。与第2光路控制元件使用半透半反射镜的情况相比，可以使照射在测量对象物体上的光束的光量增加到4倍左右。从而，受光元件的输出信号也同样增加，由于信噪比的提高，能够实现更高精度的位移测量和响应时间短的测量等。
在更加理想的实施方式中(参照作为其一例的图31的符号)，相对反射面(6)，设置使光束从对反射面(6)垂直的方向以外的方向射出的反射面用投光单元(30)、以及接收由反射面用投光单元(30)射出并由反射面(6)反射的光束的位置检测元件(33)，可以根据位置检测元件(33)的输出信号和受光单元(9)的输出信号取得关于到测量对象物体(8)为止的距离的信息。
采用这样的结构，可以根据位置检测元件的输出信号了解与光程变化量对应的反射面的位置。图36表示由位置检测元件的输出信号求出的位置检测元件输出运算结果的例子。这是与图6中的光程变化量对应的。作为运算，如果是与入射到位置检测元件上的光束的位置对应单值地决定运算结果的即可，位置检测元件的输出记为A与B时，通常经常使用A/(A+B)或(A-B)/(A+B)等。简单些也可以是A或B或A-B。如刚才用图6说明过那样，反射面的位置与照射光束在测量对象物体上的聚光位置一一对应，预先求出换算为测量对象物体的位移量的公式，以此可以在受光单元的输出信号达到最大时根据对应的位置检测元件的输出求测量对象物体的位移量。又，可以把反射面的背面作为了解反射面的位置用的上述光学系统的反射面使用，而在图6所示利用反射向测量对象物体照射的光束等的一侧的面本身的结构中，反射面用的投光单元与位置检测元件相对于反射面配置于测量对象物体一侧，在反射面的背面侧，光程扫描机构可以不受形状等限制自由配置，可以采用结构简单的扫描机构。
从反射面用投光单元射出的光束如果在位置检测元件的受光面上聚焦为微小的光点，则位置检测元件的分辨率得以提高，因此是比较理想的。又，如果该光束的照射在反射面发生位移的情况下也能被收容在反射面内，则可以避免在位置检测元件上光点的重心位置发生不规则变化，因此不需要例外处理或校正，是理想的情况。
为了参照方便，聚光元件的名称之间关系再次表示如下。
第6聚光元件(13)是兼有第1聚光元件(3、5、7/14)与第2聚光元件(7、5、3/15)的功能的元件，在这里，“/”的前面是图1的符号，其后面是图2的符号。
第7聚光元件(19)是兼有第4聚光元件(17)与第5聚光元件(18)的功能的元件。
第8聚光元件(20)是兼备第3聚光元件(16)与第4聚光元件(17)及第5聚光元件(18)的功能的元件。
第1聚光元件可以用第3聚光元件与第4聚光元件构成。
第2聚光元件可以用第3聚光元件与第5聚光元件构成。
图1是表示本发明实施形态的光学系统的结构图。
图2是表示本发明其他实施形态的光学系统的结构图。
图3表示在图1的实施形态的光学系统的结构中，光程扫描机构缩短光程的状态下的照射光束。
图4表示在图1的实施形态的光学系统的结构中，测量对象物体是镜面物体的情况下光程扫描机构缩短光程的状态下的反射光束。
图5表示在图1的实施形态的光学系统的结构中测量对象物体是漫反射物体的情况下光程扫描机构缩短光程的状态下的反射光束。
图6表示伴随光程扫描机构的动作，光程的变化与受光单元的输出信号的时间变化图。
图7是表示遮光掩模使用刀口，受光元件使用一分为二的光电二极管的实施形态的光学系统的结构图。
图8是表示遮光掩模使用刀口，受光元件使用一分为二的光电二极管的实施形态的光学系统中，光程扫描机构缩短光程的状态下的反射光束。
图9是表示遮光掩模使用刀口，受光元件使用一分为二的光电二极管的实施形态的光学系统中，光程扫描机构加长光程的状态下的反射光束。
图10表示本发明的其他实施形态的光学系统结构。
图11是表示图10的实施形态的其他光学系统的结构图。
图12是表示本发明其他的实施形态的其他光学系统的结构图。
图13是表示图12的实施形态的其他光学系统的结构图。
图14是表示在图12的实施形态中使用第6聚光元件的光学系统的结构图。
图15是表示在图12的实施形态中使用第6聚光元件的其他光学系统的结构图。
图16表示本发明的其他实施形态的光学系统的结构。
图17表示图16的实施形态的其他光学系统的结构。
图18表示本发明的其他实施形态的光学系统的结构。
图19表示图18的实施形态的其他光学系统的结构。
图20表示本发明的其他实施形态的光学系统的结构。
图21表示图20的实施形态的其他光学系统的结构。
图22表示本发明的其他实施形态的光学系统的结构与从投光单元射出的光束的关系图。
图23表示图22的实施形态的其他光学系统的结构与从投光单元射出的光束的关系图。
图24表示本发明的其他实施形态的光学系统的结构与光束的关系。
图25表示图24的实施形态的受光元件的输出信号。
图26表示本发明其他实施形态的光学系统的结构。
图27表示图26的实施形态的其他光学系统的结构。
图28表示本发明其他实施形态的光学系统的结构。
图29表示图28的实施形态的其他光学系统的结构。
图30表示本发明其他实施形态的光学系统的结构。
图31表示本发明其他实施形态的光学系统的结构。
图32表示光程扫描机构的悬臂梁的结构例。
图33表示本发明实施形态的传感器探头的内部结构。
图34表示本发明的实施形态的传感器探头上连接的控制单元的内部结构。
图35是本发明的位移传感器的总体图。
图36表示本发明第13实施形态的受光元件、位置检测元件的输出信号和位置检测元件输出的运算结果。
图37是本发明的实施形态的位移量测量流程图。
图38表示本发明其他实施形态的光学系统的结构。
图39表示本发明其他实施形态的传感器探头的内部结构。
图40表示本发明的其他实施形态的传感器探头上连接的控制单元的内部结构。
图41表示本发明的其他实施形态的与受光元件的输出信号相关的波形。
图42是本发明的其他实施形态的位移量测量流程图。
图43是本发明的实施形态的传感器探头的立体图。
图44是本发明的实施形态的传感器探头的正面图。
图45表示本发明的实施形态的传感器探头的光学系统的侧视图。
图46表示本发明的采用其他光学系统结构的实施形态。
图47表示本发明的采用其他光学系统结构的实施形态。
图48表示采用已有的三角测量方法的位移测量的光学系统。
符号说明1 投光单元2 立方体半透半反射镜3 兼用作为视准透镜和受光透镜的透镜4a 立方体半透半反射镜4b 偏振光束分离器5 中间透镜6 反射面6a 光程扫描机构为中立状态时的反射面6b 光程扫描机构为缩短光程的状态时的反射面6c 光程扫描机构为加长光程的状态时的反射面6d 光程扫描机构使光程为最短的状态时的反射面6e 光程扫描机构使光程为最长的状态时的反射面7 物镜8 测量对象物体
8b在有效测量区域内处于最远位置的情况下的测量对象物体8c在有效测量区域内处于最近位置的情况下的测量对象物体9 受光单元901a 针孔901b 刀口902a 光电二极管902b 一分为二的光电二极管903 带通滤波器11视准透镜12受光透镜13第6聚光透镜14第1聚光透镜15第2聚光透镜16第3聚光透镜17第4聚光透镜18第5聚光透镜19第7聚光透镜20第8聚光透镜21反射面沿着光轴方向位移的区域22从投光单元射出的光束由视准透镜和中间透镜聚焦的点23有效测量区域24b 从在有效测量区域内处于最远位置的测量对象物体来的反射光束由视准透镜和中间透镜聚焦的点24c 从在有效测量区域内处于最近位置的测量对象物体来的反射光束由视准透镜和中间透镜聚焦的点25在测量对象物体处于有效测量区域内时其反射光束由物镜和中间透镜聚焦的区域26返回光线产生的受光元件输出信号27在有效测量区域内的测量对象物体来的受光元件输出信号28能够接收到在有效测量区域内的测量对象物体来的反射光束的区域29 1/4波长板30 反射面的位移量测定用的投光单元31 反射面的位移量测定用的激光器32 反射面的位移量测定用的聚光元件33 位置检测元件34 红色半导体激光器35 红外线半导体激光器36 悬臂梁3601振子3602反射镜37 悬臂梁的支点38 电磁铁39 传感器探头40 控制器41、42 APC电路43、44 I/V电路45 振子驱动电路46、47 放大器48、49、50 A/D变换电路51 峰值检测电路52 AGC电路53 投光功率控制电路54 CPU55 振荡电路56 振子驱动脉冲生成电路57 存储器58 外部I/O接口59 位移量显示单元驱动电路60 显示单元
61 反射镜62 安装于传感器探头一侧的电路41～45的基板1001激光器1002、1003 透镜1004位置检测元件1005测量对象物体1006得到衍射极限光点尺寸的点具体实施形态下面参照附图对本发明的位移传感器的实施形态进行说明图31表示本位移传感器的光学系统的配置图。本传感器的光学系统，作为投光单元具备红色半导体激光器34，作为“第1光路控制元件”具有立方体半透半反射镜2、共用作视准透镜和受光透镜的透镜3、中间透镜5，作为“第3聚光元件”具有物镜7，作为“第2光程控制元件”具有偏振光束分离器4b、对于红色半导体激光器34射出光的光波波长的1/4波长板29，作为光程扫描机构具有悬臂梁36与电磁铁38，作为受光单元的遮光掩模，具有针孔901a，作为受光单元的受光元件具有光电二极管902a，和带通滤波器903。
在这里，透镜3、中间透镜5及物镜7是“第1聚光元件”，同时是“第2聚光元件”。把投光单元射出的光束聚焦于测量对象物体8上的“第1聚光元件”相当于视准透镜(本实施例中为透镜3)、中间透镜5以及透镜7，把测量对象物体8来的反射光束聚光于受光单元的“第2聚光元件”相当于物镜7、中间透镜5以及受光透镜(本实施例中为透镜3)，本实施形态中，因为利用透镜3兼作视准透镜和受光透镜，因此有上述对应关系。
本位移传感器还具备构成反射面的位移量测量用的投光单元30的红外半导体激光器35与聚光元件32以及位置检测元件33。测量对象物体8也一起表示出。悬臂梁36如图32所示，由振子3601与作为反射面的反射镜3602构成。
由红色半导体激光器34和透镜3规定的投光光轴与由针孔901a的中心和透镜3规定的受光光轴在测量对象物体8一侧利用立方体半透半反射镜2形成同轴。针孔901a与红色半导体激光器34的发光点配置为关于立方体半透半反射镜2的作用互为镜像的位置关系。
从半导体激光器34射出线偏振光光束，该光束透过立方体半透半反射镜2，由透镜3形成平行光束。以使该线偏振光平行光束的大部分被反射的朝向配置作为第2光路控制元件的偏振光束分离器4b。被偏振光束分离器4b反射的平行光束经1/4波长板29、中间透镜5后聚光于反射镜3602附近，同时由反射镜3602相对于反射面大致垂直地反射。但是，作为反射面的反射镜3602作为以37为支点的悬臂梁的振动发生位移，因此发生与垂直偏离的一点角度变化。被反射镜3602反射的光束再次经中间透镜5、1/4波长板29射入偏振光束分离器4b。该光束具有相对于透过红色1/4波长板前的指向反射镜3602的光束的偏振方向成90度的线偏振光，形成平行或大致平行的光束。该光束利用物镜7照射于测量对象物体8，测量对象物体8来的反射光束被物镜7接收后，走向与向测量对象物体8照射的路径相反的路径。测量对象物体8为镜面物体的情况下，反射光束的偏振方向维持不变，因此与照射时一样，因往复透过1/4波长板，偏振光旋转90度，以与红色半导体激光34射出的光的偏振方向一样的偏振方向射入立方体半透半反射镜2。另一方面，在测量对象物体8是漫反射物体的情况下，反射光束的偏振方向包含各种方向，但是只有与照射测量对象物体时相同的偏振方向的分量到达立方体半透半反射镜2。来自测量对象物体8的反射光中，由立方体半透半反射镜2反射的光在针孔901a附近聚焦，通过针孔901a的光束由光电二极管902a接收。在针孔901a前面插入只使红色半导体激光34的波长通过的带通滤波器，除去测量对象物体8来的反射光以外的杂散光。
如果半导体激光是红色的，则在测量对象物体上光点可以用眼睛看到，因此使用传感器非常便利，颜色并不限于红色，只要是可见光就很方便，也可以使用红外光等非可见光。
立方体半透半反射镜2、偏振光束分离器4b都不使用板状的，而使用立方体形状的，这是因为使用板状的情况下透射光发生像散现象，在测量对象物体上及设有针孔的掩模上最小光点尺寸变大。也可以使用板状的半透半反射镜、偏振光束分离器，并在光路中插入向与它们不同的方向倾斜的板状的透明介质(例如透明的玻璃板)，来修正该象散。又，立方体半透半反射镜2及偏振光束分离器4b的朝向，使得各入射光束和反射光束在图31中是在同一平面内，但是并不限于此。
又，由于是使用偏振光，最好是使用象玻璃那样几乎不具有双折射性能的介质作为使光束透过的光学零部件。
从红外半导体激光器35射出的光束通过聚光元件32聚焦于位置检测元件33的受光面上。途中，该射出的光束即使反射镜有位移也始终反射全部光束，并且按照射入位置检测元件33的要求决定光束的宽度与向反射镜3602的入射角度及反射镜3602的大小的关系。反射镜3602小则可以提高振动时的频率，因此也是所希望的。位置检测元件的受光面上的光点尺寸对于位置检测元件的输出的分辨率有影响，因此越小越好。在本结构中，首先考虑的是分辨率，因此在位置检测元件上使光束聚焦，而如果以提高扫描频率为优先考虑，则也可以使光束在反射镜3602上聚焦。使用红外线半导体激光器35是为了防止光学零部件等散射的光线等杂散光射入光电二极管902a，导致红色半导体激光器34的光线在测量对象物体8反射的微弱光线的性噪比(S/N)下降的情况发生。因此，红外线半导体激光器35的波长不限于红外线，只要是不能通过带通滤波器903的波长就能够得到相同的效果。
下面图33表示本传感器的探头内部结构，图34表示连接于传感器的控制单元的内部结构。图35表示传感器探头与控制单元构成的本位移传感器总体。
传感器探头39在上述图31说明的光学系统之外，还具备红色半导体激光器34用的APC电路41、红外线半导体激光器35用的APC电路42、光电二极管902a用的I/V电路43、位置检测元件用的I/V电路44、以及振子驱动电路45。
APC电路41、42是使所驱动的半导体激光器输出保持一定地进行驱动用的电路，特别是APC电路41具有根据控制器来的投光功率控制信号控制半导体激光器35的输出大小的功能。I/V电路43是把发光二极管902a的输出电流变换为电压，把受光元件输出信号输出到控制器用的电路，I/V电路44是把位置检测元件33的两个输出电流分别变换为电压，把位置检测元件输出信号A、B输出到控制器用的电路。振子驱动电路45是根据控制器来的振子驱动脉冲提供驱动电磁铁38的电流用的电路。光程扫描机构采用利电电磁铁38驱动在振子3601上安装反射镜3602的悬臂梁36的结构，因此振子3601使用磁性材料。图32中，振子3601上粘接反射镜3602，但是也可以把振子的表面研磨成镜面，或在研磨面上蒸镀形成镜面。
控制器40具有放大器46、47、A/D变换电路48、49、50、峰值检测电路51、AGC(自动增益控制)电路52、投光功率控制电路53、CPU54、振荡电路55、振子驱动脉冲生成电路56、存储器57、外部I/O接口58、位移量显示单元驱动电路59、以及显示单元60。
来自传感器探头的位置检测元件输出信号A、B分别由放大器46、47放大，由A/D变换电路48、49变换为数字信号输入到CPU。来自传感器探头的受光元件输出信号首先利用峰值检测电路51测定受光量。根据其大小，投光功率控制电路53向传感器探头39的APC电路41发送使红色半导体激光器34的发光功率为最合适的投光功率控制信号，进行反馈控制。接着，受光元件输出信号经AGC电路放大或衰减，由A/D变换电路变换为数字信号输入到CPU54。
振荡电路55作为CPU54与振子驱动脉冲生成电路56的基准时钟脉冲使用。振子驱动脉冲生成电路56向振子驱动电路45提供振子驱动脉冲。为了驱动振子3601，利用振子驱动脉冲决定流经电磁铁38的电流的脉冲宽度和周期。存储器57或存储得到的测量值和换算成位移量的换算式，或存储在CPU54的位移量计算过程中所必要的数据。得到位移量通过外部I/O接口输出。该控制器40具有显示单元60，通过位移量显示部驱动电路59在显示单元60显示位移量。CPU54通过A/D变换电路50检测出受光元件输出信号，在受光元件输出信号发生的时刻取得位置检测元件输出信号A与B(利用A/D变换电路48、49变换为数字信号的输出信号)，进行计算，以得到与光程变化量相关的位置检测元件输出运算结果Y＝A/(A+B)。参照存储器57的内容求出与该位置检测元件输出运算结果Y对应的测量对象物体的位移量。又，将求得的测量对象物体的位移量输出到外部I/O接口58和位移量显示单元驱动电路59。
图36表示利用本实施形态得到的受光元件的输出信号等。随着反射镜3602的位移，位置检测元件输出信号A、B正弦波状变化，与照射光束在测量对象物体8上聚光时对应，得到脉冲状的受光元件输出信号。本实施形态表示反射镜3602沿着光轴方向作位移的区域不包含从红色半导体激光器34射出的光束由中间透镜5聚焦的位置的情况，来自反射镜3602的返回光不进入受光元件的输出信号中，根据受光元件的输出信号达到脉冲峰值的时刻的位置检测元件输出信号A、B得到的位置检测元件输出运算结果Y＝A/(A+B)表示为Y1、Y2、Y3、Y4。另一方面，在存储器57预先存储由位置检测元件输出运算结果Y换算成测量对象物体8的位移量的换算式，计算对应的位移量。
例如测量对象物体8的位移量ΔX根据透镜的成像关系，利用如下的换算式进行计算。
ΔX＝L2-L0L2＝1/(1/F-1/L1)L1＝D+H·A/(A+B)这里，F是中间透镜5与物镜7组合的透镜(以下称为“组合透镜”)的焦距，L0是测量对象物体的基准位置与组合透镜在测量对象物体侧的主点的距离，L1是半导体激光器34射出的光束在反射镜3602附近聚焦的点与组合透镜在反射镜3602一侧的主点的光学距离，L2是测量对象物体8(与组合透镜形成的反射镜3602的像一致)与组合透镜在测量对象物体一侧的主点的距离，D及H是常数。常数D和H可以用使测量对象物体实际位移已知的位移量的方法求得。
又可以不采用这种方法，而实际使测量对象物体位移已知量，将与其对应的位置检测元件输出运算结果Y的一系列数值作为数据保存，并进行插补处理等，计算出位移量，还可以利用适当的近似式从位置检测元件输出运算结果Y的一系列数据导出换算公式，利用该公式计算出位移量。
图37是上述处理的流程图。从ST1到ST5的处理利用CPU进行。测量开始后，在ST1，利用A/D变换电路50检测得到的受光元件输出信号的峰值。在ST2，通过A/D变换电路48、49取得在ST1检测出的受光元件输出信号的峰值时刻的位置检测元件输出信号A、B。在ST3，对在ST2取得的位置检测元件输出信号A、B进行运算，得到位置检测元件运算结果Y＝A/(A+B)。在ST4，以得到的运算结果Y和在存储器57预先存储的换算公式为依据换算成测量对象物体的位移量。换算一结束，就再次返回ST1，同时并行地进行ST5的处理。ST5的所谓平均化处理，是用于使位移量处理精度提高的处理，可以利用设定决定次数。在进行设定次数的平均处理之后，输出测量对象物体的位移量。
作为另一实施方式，下面示出的情况是，反射镜3602沿着光轴方向位移的区域包含红色半导体激光器34发射出的光束由中间透镜5聚焦的位置，在测量对象物体8位于有效测量区域时，测量对象物体8来的反射光束能够利用中间透镜5聚焦的区域不包含红色半导体激光器34射出的光束由中间透镜5聚焦的位置。在这一实施方式中，不进行利用投光单元30和位置检测元件32测定反射镜3602的位移量的测量，把光程的变化看作随时间周期性变化的正弦波状振动，测定返回光产生的时刻起经过的时间，以此求那时的光程变化。亦即光学系统的配置如图38所示，这是从图31所示的结构省去测定反射面的位移量用的投光单元30(红外线半导体激光器35与测定反射面的位移量用的聚光元件32)以及位置检测元件33的结构。作为传感器探头的内部结构，如图39所示，控制器的内部结构如图40所示，处理位置检测元件的输出信号的放大器和A/D变换电路被省去。
这一实施方式的受光元件的输出信号与相关的波形一起示于图41。与在测量对象物体8上照射光束聚焦时对应，得到脉冲状的受光元件输出信号27，与红色半导体激光器34射出的光束由中间透镜5于反射镜3602上聚焦时对应，返回光被作为脉冲状的受光元件输出信号26得到。正弦波状的光程的变化量(反射镜3602如果作正弦波状振动，则光程的变化也是正弦波状的)也示出作为参考。X1表示照射光束在测量对象物体8上聚焦时的光程变化量，X2表示红色半导体激光器34射出的光束由中间透镜5聚焦于反射镜3602上时(产生返回光时)的光程变化量，X3表示在有效测量区域内照射光束聚焦于离物镜7最远的位置时的光程变化量，X4表示在有效测量区域内照射光束聚焦于离物镜7最近的位置时的光程变化量。
从图41的受光元件的输出信号可知，如果反射镜3602作正弦波状振动，则在前往时与返回时分别得到返回光和测量对象物体产生的输出信号。在以返回光产生的输出信号为基准的情况下，有必要只选择前往时或返回时中的一种情况下的返回光产生的输出信号作为基准，因此将该方法的一个例子示于下面。图41也表示出使反射镜3602作正弦波状振动用的振子驱动脉冲的例子，但是只参照这种振子驱动脉冲未必能够选择返回光26的一种。因此，如图所示，如果在靠近返回光发生的X2处，振子翻转的时间稍迟于振子的驱动脉冲的下降边缘的时间，则以该振子驱动脉冲的下降边缘作为触发器使单触发脉冲发生，使这一单触发脉冲翻转，生成在不将在测量对象物体上聚光产生的输出信号27夹在中间的前往路和返回路的两束返回光26之间上升的信号作为复位信号。如果利用该复位信号开始取得受光元件输出信号，则必定最初的脉冲返回光26作为基准脉冲，其后的两个脉冲为来自测量对象物体的输出信号27。因此，测定从各基准脉冲起的经过时间t1和t2，利用光程的变化为在时间上周期性变化的正弦波状变化这一点，可以求出对应于t1、t2的光程的变化量。借助于此，可以利用例如下面所示的换算公式计算测量对象物体8的位移量ΔX(t)。
ΔX(t1)＝L2(t1)-L0ΔX(t2)＝L2(t2)-L0L2(t2)＝1/{1/F-1/L1(t2)}L2(t1)＝1/{1/F-1/L1(t1)}L1(t1)＝D+Kcos(ωt1+Φ0)L2(t2)＝D+Kcos(ωt2+Φ0)这里，F是组合透镜的焦距；L0是测量对象物体的基准位置与组合透镜的测量对象物体一侧的主点的距离；L1是半导体激光器34射出的光束在反射镜3602附近聚焦的点与组合透镜的反射镜3602一侧的主点的光学距离；L2是测量对象物体8(与组合透镜形成的反射镜3602的像一致)与组合透镜的测量对象物体一侧的主点的距离；D、K、ω及Φ0是常数。ω由振子驱动脉冲的周期求得，Φ0根据cos(ωt1+Φ0)＝cos(ωt2+Φ0)求得，常数D、K可以用实际使测量对象物体位移已知位移量的方法求得。
由L1换算成测量对象物体8的位移量ΔX的换算方法与上述方法一样，不限于这种方法，可以实际使测量对象物体位移已知位移量，将与其对应的位置检测元件输出结果Y的一系列数值作为数据保持，加上插补处理等计算出位移量，也可以利用适当的近似式由位置检测元件输出运算结果Y的一系列数据导出换算公式，利用该换算公式算出位移量。
图42是本实施形态中位移量测量的流程图。ST1至ST10的处理利用CPU执行。测量开始之后，在ST1首先等待复位信号的输入。在ST2复位信号输入后检测由A/D变换电路50得到的受光元件输出信号的第1个峰值。在ST3与检测出该峰值的同时开始测定时间。在ST4检测第2个受光元件输出信号的第2个峰值，在ST5，把从ST3检测出的受光元件输出信号的最初的峰值起到得到第2个峰值为止的经过时间t1存储于存储器57。在ST6，再检测受光元件输出信号的第3个峰值；在ST7，把从ST3检测出的受光元件输出信号的最初的峰值起到得到第3峰值为止的经过时间t2存储于存储器57。在ST8，在得到受光元件输出信号的第3峰值之后，从存储器读出t1、t2及换算成测量对象物体的位移量用的换算公式，换算成与t1和t2分别对应的测量对象物体的位移量。在ST9，把换算后的两个测量对象物体的位移量加以平均。在ST10的平均处理和图3的情况一样，是使位移量测定精度提高用的处理，利用设定等方法任意决定次数即可。
图43是更加具体的传感器探头结构立体图。在这里，图中的62表示在传感器探头上安装的电路41～45的基板。图44是与该图对应的正面图，图45表示侧视图。只是为了能更看清光学系统的结构，在图44中省略了部分构件和基板等，在图45中只表示出光学系统。光学系统的结构与图31所示的实施形态相同，符号也与图31相同。但是为了使光学系统小型化，立方体半透半反射镜2与透镜3之间插入有反射镜61。
作为光学系统的结构不同的另一实施形态，迄今为止示出的实施形态以外的实施形态中，也如图46所示，可以在反射面(6)上聚焦投光单元(1)射出的光束，在投光单元(1)与第1聚光元件(14)之间配置第2光路控制元件(2)。这种结构中，第1聚光元件(14)把投光单元(1)射出的光束聚焦于反射面(6)上，同时把反射面(6)反射的光束聚焦于测量对象物体(8)。又，作为同样的结构，可在如图47所示的反射面(6)上聚焦投光单元(1)射出的光束，在受光单元(9)与第2聚光元件(15)之间配置第2光路控制元件(2)。在这种结构中，第2聚光元件(15)把反射面(6)反射的光束聚焦在测量对象物体(8)上，同时把反射面(6)反射的来自测量对象物体(8)的反射光束聚焦于受光单元(9)。
采用本发明，根据照射光束在测量对象物体上形成微小光点时的光程进行计算，因此能够进行不受测量对象物体反射强度的不均匀影响的位移测量。又，聚光作用由不移动的聚光元件执行，此外还另行设置其本身不具有聚光功能而有改变光程功能的光程扫描机构，因此能够实现该光程扫描机构的小型化和轻型化。从而，能够提高扫描频率，可提供测量时间短，可进行高精度测量的位移传感器。
权利要求
1.一种位移传感器，其特征在于，具备投光单元，具有遮光掩模和受光元件的受光单元，把投光单元射出的光束聚焦于测量对象物体的第1聚光元件，将来自所述测量对象物体的反射光束向受光单元聚焦的第2聚光元件，配置在从所述投光单元至所述测量对象物体的投光光路中并且是配置在从所述测量对象物体至所述受光单元的受光光路中，使由所述第1聚光元件和所述投光单元规定的投光光轴与由所述第2聚光元件和所述受光单元规定的受光光轴在测量对象物体一侧同轴的第1光路控制元件，以及配置在所述投光光轴与所述受光光轴变为同轴的光路中并且是配置在所述投光光路及受光光路中的光束不平行的部位，使从投光单元到测量对象物体的光程及从测量对象物体到受光单元的光程连续变化的光程扫描机构，所述遮光掩模配置于从所述第2聚光元件到所述受光元件的光路中，当来自所述测量对象物体的反射光束由第2聚光元件聚焦的位置因所述光程扫描机构的动作而发生变化时，使被所述遮光掩模遮住的该反射光束一部分的比例发生变化，所述受光元件是接收通过遮光掩模后的光束的元件，根据由于所述光程扫描机构的动作而变化的受光元件的输出信号，取得到测量对象物体的距离方面的信息。
2.根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于，具备是所述第1聚光元件且是所述第2聚光元件的第6聚光元件，所述第1光路控制元件配置于所述第6聚光元件与所述投光单元以及所述受光单元之间。
3.根据权利要求1或2所述的位移传感器，其特征在于，所述光程扫描机构相对于光轴垂直配置，具有沿着所述做成同轴的光轴方向作位移的反射面，还具有将投光单元出射的光束导向所述反射面并将该反射面反射的光束引向测量对象物体，并且把来自测量对象物体的反射光束反方向引导到与将光束引向上述测量对象物体的光路相同的光路上的第2光路控制元件。
4.根据权利要求3所述的位移传感器，其特征在于，所述第2光路控制元件配置于所述第1光路控制元件与上述反射面之间，所述第1聚光元件由第3聚光元件和第4聚光元件构成，所述第2聚光元件由所述第3聚光元件和第5聚光元件构成，所述第4聚光元件是在从所述投光单元到所述反射面的光路中集中或分散配置的一个或多个透镜，其中的至少一个透镜配置于从所述投光单元到所述第2光路控制元件的光路中，把所述投光单元射出的光束聚光于所述反射面附近，所述第3聚光元件是在所述反射面与所述测量对象物体之间集中或分散配置的一个或多个透镜，其中的至少一个透镜配置于所述第2光路控制元件与所述测量对象物体之间，把所述反射面反射的光束聚光于所述测量对象物体，同时把来自所述测量对象物体的反射光束聚光于所述反射面附近，所述第5聚光元件是在从所述反射面到所述受光部的光路中集中或分散配置的一个或多个透镜，其中的至少一个透镜配置于从所述第2光路控制元件到所述受光单元的光路中，将被所述测量对象物体反射后被所述反射面反射的光束聚光于所述受光单元。
5.根据权利要求4所述的位移传感器，其特征在于，具备是所述第4聚光元件且是所述第5聚光元件的第7聚光元件，所述第7聚光元件配置于所述第1光路控制元件与所述第2光路控制元件之间。
6.根据权利要求4所述的位移传感器，其特征在于，具备是所述第3聚光元件又是所述第4聚光元件且是所述第5聚光元件的第8聚光元件，所述第8聚光元件配置于所述第2光路控制元件与所述反射面之间。
7.根据权利要求4或5或6所述的位移传感器，其特征在于，所述投光单元和所述受光单元配置为关于所述第1光路控制元件的作用互为镜像的位置关系。
8.根据权利要求7所述的位移传感器，其特征在于，使所述反射面沿光轴方向作位移的区域不包含所述投光单元射出的光束被所述第4聚光元件聚焦的位置。
9.根据权利要求7所述的位移传感器，其特征在于，使所述反射面沿光轴方向作位移的区域包含所述投光单元出射的光束被所述第4聚光元件聚光的位置，所述测量对象物体位于有效测量区域内时，使来自所述测量对象物体的反射光束能由所述第3聚光元件聚光的区域不包含所述投光单元射出的光束被所述第4聚光元件聚光的位置。
10.根据权利要求9所述的位移传感器，其特征在于，沿光轴方向作位移的所述反射面的位移是周期性的振动，具备输出信号选取手段，当所述反射面的位置与所述投光单元射出的光束由所述第4聚光元件聚光的位置一致时，该选取手段从所述一致时产生的所述受光元件的输出信号中，选取上述反射面的位移为前往途中时的输出信号或返回途中时的输出信号中任意决定的一种信号，以所述选取的输出信号为基准，测量所述投光单元射出的光束聚焦于所述测量对象物体上时到获得其反射光束产生的所述受光元件的输出信号为止的时间的手段，以及根据所述测量的时间取得关于到测量对象物体为止的距离的信息的手段。
11.根据权利要求4～10中任意一项所述的位移传感器，其特征在于，所述第4聚光元件由视准透镜与中间透镜构成，所述视准透镜配置于投光单元与第2光路控制元件之间，使投光单元出射的光束大致平行，所述中间透镜配置于所述第2光路控制元件与所述反射面之间，将大致为平行的光束聚光于所述反射面附近，所述第5聚光元件由所述中间透镜与受光透镜构成，所述受光透镜配置于所述受光单元与所述第2光路控制元件之间，将来自测量对象物体的反射光束聚光于受光单元。
12.根据权利要求11所述的位移传感器，其特征在于，所述准直透镜与所述受光透镜共用一个透镜，并配置于所述第1光路控制元件与所述第2光路控制元件之间。
13.根据权利要求11或12所述的位移传感器，其特征在于，所述投光单元射出线偏振光，所述第2光路控制元件是配置得使所述线偏振光相对入射面垂直或平行的偏振光束分离器，具备配置在所述偏振光束分离器射出的光束前往所述中间透镜的光路中，并且配置在被所述反射面反射后、从所述中间透镜射出的光束前往所述偏振光束分离器的光路中，相对于所述投光单元射出的光的波长的1/4波长板。
14.根据权利要求3～9或11～13中任意一项所述的位移传感器，其特征在于，具备使光束从对所述反射面垂直的方向以外的方向射向所述反射面的反射面用投光单元，以及接收由所述反射面反射的、由反射面用投光单元射出的光束的位置检测元件，根据所述位置检测元件的输出信号和所述受光单元的输出信号，取得关于到测量对象物体为止的距离的信息。
全文摘要
能进行高精度位移测量、并能缩短测量时间的位移传感器，具备投光单元(1)、具有遮光掩模(901a)和受光元件(902a)的受光单元(9)、将投光单元(1)射出的光束聚焦于被测物体(8)的第1聚光元件(3、5、7)、将反射光束聚焦于受光单元的第2聚光元件(7、5、3)、在被测物体一侧使投光光轴和受光光轴同轴的第1光路控制元件(2)、及使从投光单元到被测物体的光程及从被测物体到受光单元的光程连续变化的光程扫描机构(6)。遮光掩模配置于从第2聚光元件到受光元件的光路中，受光元件接收通过遮光掩模的光束，根据因光程扫描机构而变化的受光元件的输出信号，取得被测物体的距离信息。
文档编号G01B11/02GK1448692SQ0310600
公开日2003年10月15日 申请日期2003年2月17日 优先权日2002年2月15日
发明者宇野徹也, 滝政宏章, 菅孝博 申请人:欧姆龙株式会社